矿井井下智能无线监控与定位系统

1.一种矿井井下智能无线监控与定位系统，其特征在于：包括移动载体的定位与监控模块、有线和无线通讯无缝切换无线基站、数据分析处理与传输中继站、地面信息系统处理工作站、地面传感器自动标定系统；数据分析处理与传输中继站通过无线ZigBee模块或有线工业CAN总线接口接收来自移动载体的定位与监控模块的数据与有线和无线通讯无缝切换无线基站的数据，对这些数据进行处理并打包，通过光纤或以太网络发送给地面信息系统处理工作站，所述地面传感器自动标定系统通过无线ZigBee模块与移动载体的定位与监控模块进行无线通讯；所述移动载体的定位与监控模块包括电池、移动载体处理器、与移动载体处理器分别相连的催化燃烧气体传感器、LED驱动模块、LED灯控制开关、无线ZigBee模块、电源转换模块，所述电源转换模块分别与催化燃烧气体传感器、LED驱动模块、无线ZigBee模块、电池相连；所述有线和无线通讯无缝切换无线基站包括无线基站处理器、分别与无线基站处理器相连的无线基站电源管理模块、无线ZigBee模块、有线工业CAN总线接口、无线基站红外气体传感器，所述无线基站电源管理模块还连有电池、无线基站防爆开关电源，所述无线基站防爆开关电源还与井下交流电相连；所述数据分析处理与传输中继站包括中继站处理器、与中继站处理器分别相连的无线ZigBee模块、有线工业CAN总线接口、光纤接口、以太网接口、中继站电源管理系统，所述中继站电源管理系统还分别与光纤接口、无线ZigBee模块、以太网接口、电池、中继站防爆开关电源相连，所述中继站防爆开关电源还与井下交流电相连；所述地面信息系统处理工作站包括工作站服务器、与工作站服务器分别相连的工作站显示接口、光纤接口、以太网接口、工作站稳压模块，所述工作站稳压模块还分别与UPS模块、地面交流电相连；所述地面传感器自动标定系统包括地面无线模块、与地面无线模块分别相连的无线ZigBee模块、标定系统显示接口、标定系统气体传感器、标定系统稳压模块，所述标定系统稳压模块还与地面交流电相连。
2.根据权利要求1所述的矿井井下智能无线监控与定位系统，其特征在于：所述无线ZigBee模块与所述无线基站处理器之间通过SPI口连接通讯。
3.根据权利要求1所述的矿井井下智能无线监控与定位系统，其特征在于：所述移动载体的定位与监控模块内置于矿灯中。
4.根据权利要求1中任意一项所述的矿井井下智能无线监控与定位系统，其特征在于：所述的移动载体处理器、无线基站处理器和中继站处理器均为ARM处理器。
5.根据权利要求1所述的矿井井下智能无线监控与定位系统，其特征在于：所述移动载体处理器的工作流程为：首先初始化，进入主程序，在主程序中，先设定两个中断，一个是无线接收数据中断，另一个是定时中断；然后建立循环，在循环中，完成对按键的检 测，按键检测通过LED灯光调节来实现；在无线中断中，首先对收到的数据进行分析，根据分析所得数据，执行相应的子程序；当数据是来自地面信息系统处理工作站的警报指令时，改变LED的颜色和显示；当数据是来自地面传感器自动标定系统，此时修正移动载体的定位与监控模块上的催化燃烧传感器的参数，以便催化燃烧传感器能准确测定矿井巷道的气体参数；定时中断完成催化燃烧传感器的采集，并将采集的催化燃烧传感器数据发送给有线和无线通讯无缝切换无线基站，采集的催化燃烧传感器数据同时也是作为定位的信号。

矿井井下智能无线监控与定位系统 \n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种矿井井下智能无线监控与定位系统，属于矿井井下定位与监控领域。 \n背景技术\n[0002] 建立煤矿井下完善的监控体系和精确的人员定位系统是目前贯彻以“预防为主”的安全生产理念的前提条件。目前一些专利涉及了这方面的研究。 \n[0003] CN 201096877Y公布了一种基于ZIGBEE的无线定位系统。该专利主要问题是：\n(1)只是利用当前的信息来定位，而不是将历史数据和现在数据融合进行定位；(2)没有融合矿井监控功能。 \n[0004] CN 101369944A提出了基于ZIGBEE和RFID的矿井无线定位系统及其布设方法。\n采用RFID进行定位，通过ZIGBEE进行定位信息的发送。此专利的主要问题：(1)没有结合定位与监控；(2)RFID是单向的；(3)只是利用当前的信息来定位，而不是将历史数据和现在数据融合进行定位； \n[0005] CN200710171812.2井下煤矿人员实时无线定位方法提出了一种井下煤矿人员实时无线定位方法，采用基于无线节点射频信号强度的分布式实时定位方法或接收信号功率指标。RSSI与实际距离之间的转换方法。但是无线信号的强度受到的干扰因素太多，比如当人体进入该场景时，也会影响无线信号的强度。因此定位不准确。 \n[0006] CN200620101832.3矿井工作人员定位系统提出了无线定位和监控的一个概念，但是对于矿井定位的关键问题：如何利用无线系统进行准确的定位，该专利并没有提出新的算法。 \n[0007] CN201234272Y煤矿井下无线传感器网络节点设备。提出了煤矿井下基于无线传感器网路的人员定位和环境监测的硬件平台。但是对于矿井救援和监控来说，这些硬件是最基本也是最常规的，该专利并没有解决如何利用这些设备进行矿井定位的系统问题，仅仅涉及一些硬件。同时该设备也没有解决移动节点传感器的标定和精度问题。 [0008] CN201408358Y提出了一种基于无线传感器网络的矿井监控设备。但是该设备在实际中无法应用：(1)没有解决传感器的标定，因此容易经常导致误报；(2)没有有效的定位方案。 \n[0009] CN101621431A煤矿井下无线传感器网络节点设备。提出了基于无线传感器网络的人员定位和环境监测的硬件平台。但该设备没有解决有效的利用矿井现有条件组网问题，因为无线信号在井下干扰大，有时无法发送数据，导致矿井监控不利。关键的传感器固定节点应该采用有线通讯方式。同时该设备没有解决基于融合方法的定位问题。 [0010] CN101051079A提出了蓝牙进行定位系统。但是蓝牙的组网和网络节点数受到限制。 \n[0011] CN201007797Y一种煤矿井下人员定位与瓦斯浓度动态监测系统。与专利CN201408358Y一样，(1)没有解决传感器的标定，因此容易经常导致误报；(2)没有有效的定位方案。 \n发明内容\n[0012] 本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种矿井井下智能无线监控与定位系统，该系统将监控与定位有效结合，在监控中利用矿井中最活跃的人作为测量载体，结合定位固定无线基站的测量传感器，形成一个全矿区的完善监控三维分布图，对矿井实现完整的监控和预报。在人员和物品定位中，利用无线网络系统和矿井巷道特征，通过融合移动载体即井下工作人员的历史位置和当前位置，并结合无线基站的传感器数据，精确判断人员和物品在矿井井下的位置。 \n[0013] 本发明是这样实现的：一种矿井井下智能无线监控与定位系统，其特征在于：包括移动载体的定位与监控模块、有线和无线通讯无缝切换无线基站、数据分析处理与传输中继站、地面信息系统处理工作站、地面传感器自动标定系统；数据分析处理与传输中继站通过无线ZigBee模块或有线工业CAN总线接口接收来自移动载体的定位与监控模块的数据与有线和无线通讯无缝切换无线基站的数据，对这些数据进行处理并打包，通过光纤或以太网络发送给地面信息系统处理工作站，所述地面传感器自动标定系统通过无线ZigBee模块与移动载体的定位与监控模块进行无线通讯。 \n[0014] 所述移动载体的定位与监控模块包括电池、移动载体处理器、与移动载体处理器分别相连的催化燃烧气体传感器、LED驱动模块、LED灯控制开关、无线ZigBee模块、电源转换模块，所述电源转换模块分别与催化燃烧气体传感器、LED驱动模块、无线ZigBee模块、电池相连。所述移动载体处理器采用ARM处理器。 \n[0015] 所述有线和无线通讯无缝切换无线基站包括无线基站处理器、分别与无线基站处理器相连的无线基站电源管理模块、无线ZigBee模块、有线工业CAN总线接口、无线基站红外气体传感器，所述无线基站电源管理模块还连有电池、无线基站防爆开关电源，所述无线基站防爆开关电源还与井下交流电相连。 \n[0016] 所述无线ZigBee模块与所述无线基站处理器之间通过SPI口连接通讯。 [0017] 所述数据分析处理与传输中继站包括中继站处理器、与中继站处理器分别相连的无线ZigBee模块、有线工业CAN总线接口、光纤接口、以太网接口、中继站电源管理系统，所述中继站电源管理系统还分别与光纤接口、无线ZigBee模块、以太网接口、电池、中继站防爆开关电源相连，所述中继站防爆开关电源还与井下交流电相连。 \n[0018] 所述地面信息系统处理工作站包括工作站服务器、与工作站服务器分别相连的工作站显示接口、光纤接口、以太网接口、工作站稳压模块，所述工作站稳压模块还分别与UPS模块、地面交流电相连。所述工作站服务器采用IBM System x3950 M2。\n[0019] 所述地面传感器自动标定系统包括地面无线模块、与地面无线模块分别相连的无线ZigBee模块、标定系统显示接口、标定系统气体传感器、标定系统稳压模块，所述标定系统稳压模块还与地面交流电相连。地面传感器自动标定系统通过无线ZigBee模块与移动载体的定位与监控模块进行无线通讯。所述地面无线模块采用ARM微处理器。 [0020] 所述移动载体的定位与监控模块内置于矿灯中。 \n[0021] 所述的移动载体处理器、无线基站处理器和中继站处理器均为ARM处理器。 [0022] 所述移动载体处理器的工作流程为：首先初始化，进入主程序，在主程序中，先设定两个中断，一个是无线接收数据中断，另一个是定时中断；然后建立循环，在循环中，完成对按键的检测，按键检测通过LED灯光调节来实现；在无线中断中，首先对收到的数据进行分析，根据分析所得数据，执行相应的子程序；当数据是来自地面信息系统处理工作站的警报指令时，改变LED的颜色和显示；当数据是来自地面传感器自动标定系统，此时修正移动载体的定位与监控模块上的催化燃烧传感器的参数，以便催化燃烧传感器能准确测定矿井巷道的气体参数；定时中断主要完成催化燃烧传感器的采集，并将采集的催化燃烧传感器数据发送给有限和无线通讯无缝切换无线基站，采集的催化燃烧传感器数据同时也是作为定位的信号。 \n[0023] 移动载体的定位与监控模块设置在井下工作人员的矿灯中。有线和无线通讯无缝切换无线基站安装在矿井巷道中。数据分析处理与传输中继站也安装在矿井巷道中，作为第一级的数据处理设备。地面信息系统处理工作站安装在地面的指挥中心。对整个矿区的信息进行处理与分析，并进行预测。地面移动载体传感器自动标定系统对井下的移动载体(矿灯)的传感器进行自动标定。 \n[0024] 移动载体的定位与监控模块主要由硬件和嵌入式软件组成。硬件包括移动载体处理器、无线ZigBee模块、LED驱动模块、催化燃烧气体传感器、LED灯控制开关、电源转换模块、锂电池组成。软件嵌入于移动载体处理器中，软件主要包含对传感器信号的处理、LED灯的驱动和控制、无线信号的接收和发送、催化燃烧气体气体传感器的自动标定。移动载体的定位与监控模块发送的传感器数据本身就是定位的无线信号。 \n[0025] 有线和无线通讯无缝切换无线基站与移动载体的定位与监控模块一样，由硬件和嵌入式软件组成。在有线和无线通讯无缝切换无线基站的硬件系统中，其电源有两种供应方式，(1)电池，可以是锂电池，也可以是铅酸电池。(2)井下交流电。两种电源同时接入，通过无线基站电源管理模块进行管理。当有交流电时，直流电停止工作，由交流电工作。如果此时直流电电池的电压不足时，交流电对直流电池进行充电。当交流电停电时，直流电自动工作。无线基站处理器采用ARM处理器，它采集气体传感器的数据，监控巷道气体的含量。有线和无线通讯无缝切换无线基站有两种通讯接口：(1)无线ZigBee模块；(2)有线工业CAN总线接口。无线ZigBee模块接收来自移动载体的定位与监控模块的数据，并将系统其它部分的数据及命令发送给移动载体的定位与监控模块。有线和无线通讯无缝切换是指当有线工业CAN总线接口连接到数据分析处理与传输中继站时，有线和无线通讯无缝切换无线基站通过有线接口发送数据给数据分析处理与传输中继站。如果有线信号不能工作时或没有连接时，通过无线ZigBee模块将数据信号给其它基站，通过其它基站，将数据转发给数据分析处理与传输中继站，或者通过无线信号直接给数据分析处理与传输中继站。 [0026] 数据分析处理与传输中继站是第一级的定位与监控处理站，同时也将移动载体发送的数据通过光纤接口或者以太网接口发送给地面信息系统处理工作站。 [0027] 地面信息系统处理工作站是地面大型的数据处理中心。工作站服务器运行大型的数据库软件。利用矿井巷道的位置资料，采用多数据融合技术：包括移动载体的定位与监控模块的运动过程数据、有线和无线通讯无缝切换无线基站的传感器数据、有线和无线通讯无缝切换无线基站接收到的移动载体的定位与监控模块无线数据等，实现精确的井下人员定位。同时根据移动载体的定位与监控模块、有线和无线通讯无缝切换无线基站的传感器数据，形成井下气体数据分布图。 \n[0028] 在整个系统中，移动载体的定位与监控模块是井下完善监控的基础。因此对其传感器的要求比较高。但是由于成本的限制，无法采用高质量的传感器。本发明中，利用移动载体地面充电时，采用智能算法，对移动载体上的传感器进行自动标定。实现了低成本的传感器在进行发挥完善监控作用。 \n[0029] 本发明的有益效果是：解决了矿井的完善监控和精确的定位：(1)在该系统中无线监控与定位有效结合。井下人员携带的定位装置即移动载体的定位与监控模块同时也是移动的监控节点，移动载体的定位与监控模块发送的传感器数据本身就是定位的无线信号。井下人员定位的有线和无线通讯无缝切换无线基站同时也是固定的监控节点。通过移动的节点和固定的节点，形成一个完善的监控体系。在定位中，监控的传感器的数据同时也用于定位修正。(2)在井下人员定位中，利用矿井巷道的位置资料，采用多数据融合技术：\n包括移动载体的运动过程数据、无线基站的传感器数据、无线基站接收到的移动载体无线数据，实现精确的井下人员定位。(3)采用电池和交流电源双供电，当井下发生事故时，交流电切断，电池照样能继续工作，因此能发挥事故后的指导工作。(4)组网方便、简单，由于无线监控和无线定位有效结合，减少了井下系统的安装。(5)在矿井井下智能无线监控与定位系统中，实现 了有线通讯和无线通讯无缝切换技术；(6)实现了移动载体传感器的自动标定技术。 \n附图说明\n[0030] 图1是移动载体的定位与监控模块结构框图； \n[0031] 图2是有线和无线通讯无缝切换无线基站的结构框图； \n[0032] 图3是数据分析处理与传输中继站结构框图； \n[0033] 图4是地面信息系统处理工作站的结构框图； \n[0034] 图5是地面传感器自动标定系统的结构框图； \n[0035] 图6是移动载体的定位与监控模块的软件结构图。 \n具体实施方式\n[0036] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明，以使本专业的技术人员在阅读后，能够进一理解本发明的结构特征。 \n[0037] 根据图1、图6，移动载体的定位与监控模块：该模块充分利用井下移动载体携带的设备，采用井下工作人员携带的矿灯，将移动载体的定位与监控模块设置在矿灯中。在煤矿井下，井下工作人员已经形成了一个分布式的测量网络。在图1中，锂电池提供所有模块的电源，但是由于电池电压波动以及电池电压随电量降低而降低，因此通过电源转换模块先将电压转换为各种稳定的电压：3.3V，5V等。电源转换模块根据不同的模块电压要求，提供不同的电源给各种模块。供3.3V给无线ZigBee模块和移动载体处理器，供5V给催化燃烧气体传感器、LED驱动模块。催化燃烧气体传感器采集移动载体所经过区域的气体含量。\nLED驱动模块驱动两路LED，一路是大功率的白光照明LED，另一路是指示LED，该LED由四个全色LED组成，通过智能驱动，全色LED能变化出256种颜色。可以在特殊情况下，起到报警和通讯的作用，因为不同的颜色，代表不同的情况。移动载体处理器是智能软件的运行硬件平台，运行嵌入式软件。如图6，嵌入式软件的工作流程是：所述移动载体处理器的工作流程主要为：首先初始化，进入主程序，在主程序中，先设定两个中断，一个是无线接收数据中断，另一个是定时中断；然后建立循环，在循环中，主要完成对按键的检测，按键检测通过LED灯光调节来实现；在无线中断中，首先对收到的数据进行分析，根据分析所得数据，执行相应的子程序；当数据是来自地面信息系统处理工作站的警报指令时，改变LED的颜色和显示；当数据是来自地面传感器自动标定系统，此时修正移动载体的定位与监控模块上的催化燃烧传感器的参数，以便催化燃烧传感器能准确测定矿井巷道的气体参数；定时中断主要完成催化燃烧传感器的采集，并将采集的催化燃烧传感器数据发送给有限和无线通讯无缝切换无线 基站，同时也是作为定位的信号。 \n[0038] 根据图2，有线和无线通讯无缝切换无线基站：在该无线基站中，有两种供电方式，一种是电池供电，另一种是井下交流电供电。无线基站电源管理模块对这两个电源进行管理。当有交流电时，切断电池供电。当电池电量不足时，交流电给电池充电。当交流电无法供电时，此时电池供电。这种双电源供电在遇到矿井灾难等紧急事情时，能发挥重要的作用。在有线和无线通讯无缝切换无线基站中，无线基站处理器采用高性能的ARM处理器，优选ARM7以上的处理器。无线ZigBee模块与无线基站处理器之间通过SPI口连接通讯。在无线基站处理器中，有专门的线程对有线通讯是否连接进行检测，如果没有有线通讯，有线和无线通讯无缝切换无线基站通过无线传输数据。这种方式在矿井中非常实用。当矿井布线困难时，有线和无线通讯无缝切换无线基站可以采用无线方式工作。当出现矿难时，有线被破坏时，本发明同样能进行工作。无线ZigBee模块接收移动载体的定位与监控模块发送过来的数据，并将数据转发给巷道中的下个基站或发送给数据分析处理与传输中继站。在无线基站中，安装有红外气体传感器，这些传感器作为整个监控网络中的一个节点，同时也是作为人员定位的参考值，来修正移动载体的定位值。 \n[0039] 根据图3，数据分析处理与传输中继站：该中继站与有线和无线通讯无缝切换无线基站类似。在数据分析处理与传输中继站，共有四种通讯接口：(1)无线ZigBee模块；(2)有线工业CAN总线接口；(3)光纤接口；(4)以太网接口。在四种通讯接口中，数据分析处理与传输中继站通过无线ZigBee模块或有线工业CAN总线接口接收来自移动载体的定位与监控模块的数据、有线和无线通讯无缝切换无线基站的数据。对这些数据进行处理，并对这些数据打包，通过光纤接口或以太网接口发送给地面信息系统处理工作站。 [0040] 图4为地面信息系统处理工作站：该工作站采用交流电供电，并使用UPS模块，防止断电时，数据丢失。工作站服务器接收来自数据分析处理与传输中继站的光纤或以太网的数据。将这些数据存储在数据库中。在工作站服务器中，运行智能监控与定位软件。在定位中，利用矿井巷道的位置资料，采用多数据融合技术：包括移动载体的定位与监控模块的运动过程数据、有线和无线通讯无缝切换无线基站的无线基站红外气体传感器数据、有线和无线通讯无缝切换无线基站所接收到的移动载体的定位与监控模块的无线数据，实现精确的井下人员定位。同时根据移动载体的定位与监控模块中催化燃烧气体传感器、有线和无线通讯无缝切换无线基站的无线基站红外气体传感器的数据，形成井下气体数据分布图。多数据融合技术的简单流程是：首先将有线和无线通讯无缝切换无线基站、数据分析处理与传输中继站安装在矿井的巷道中，矿井巷道三维信息是已知信息，因此安装在矿井巷道中的有线和无线通讯无缝切换无线基站、数据分析处理与传输中继的三维信息是已知的。当移动载体(井下工作 人员)携带移动载体的定位与监控模块下井时，矿井的有线和无线通讯无缝切换无线基站能接收到移动载体的定位与监控模块发送的催化燃烧气体传感器数据，说明移动载体在有线和无线通讯无缝切换无线基站的无线范围内，记录各个无线基站接收催化燃烧气体传感器数据的时间，预测移动载体的速度和运动位移，同时当移动载体移动到有线和无线通讯无缝切换无线基站附近时，无线基站红外气体传感器和催化燃烧气体传感器的数据有一定相似性，利用这些因素来预测和判断移动载体在巷道的位置。 \n[0041] 移动载体的定位与监控模块的传感器是采用低成本的催化燃烧气体传感器，因此要确保其精度，需要经常标定气体传感器的参数。本发明采用自动标定方法。图5表示地面传感器自动标定系统，当移动载体的定位与监控模块从矿井到地面进行充电时，地面无线模块通过无线ZigBee模块将经过标定的标定系统气体传感器数据发送给移动载体的无线定位与监控模块。